Гайко Г.И. История горной техники

Подождите немного. Документ загружается.

этих конструкций разработана тех-

нология опорного крепления горных

выработок, суть которой сводится к

созданию в приконтурном массиве

системы высокопрочныханкерных

опор, полностью блокирующих сме-

щение горных пород в выработку.

Разработанные в 90-х годах в Герма-

нии и Великобритании сталеполи-

мерные анкеры нового технического

уровня имеют грузонесущую способ-

ность от 250 до 1000 кН (обычный ан-

кер с точечным закреплением – ме-

нее 70 кН) и позволяют реализовы-

вать не только новую идеологию

крепления горных выработок, но и

новую технологию ведения очистных

работ [41].

Следует отметить, что примене-

ние анкерной крепи требует система-

тического контроля качества уста-

новки анкеров, регулярного обследо-

вания их состояния, высокой квалификации и исполнительности персо-

нала. В противном случае имеют место отказы крепи и аварии в горных

выработках, связанные с тяжелым травматизмом горнорабочих.

Идея использования несущей способности горных пород легла в ос-

нову создания породонесущих конструкций крепи. Особый интерес пред-

ставляет разработанная в 70-х годах в ДГМИ под руководством проф.

Г.Г. Литвинского крепь «Монолит» из разгруженных от напряжений и

упрочненных пород [36]. Технология возведения крепи (рис. 4.41) пред-

полагает взрывание камуфлетных зарядов ВВ, создающих зону искус-

ственной трещиноватости приконтурного массива и разгружающих его

от исходных напряжений. Взрывание производится за передвижной опа-

лубкой, одновременно играющей роль предохранительного щита при

работе в забое выработки. Замоноличивание зоны искусственной тре-

щиноватости производится нагнетанием упрочняющего раствора с по-

мощью тампонажного оборудования через инъекторы, размещаемые в

шпурах за щит-опалубкой. Раствор, попадая в криволинейные трещи-

ны между блоками пород, заполняет их и работает после схватывания в

основном на сдвиг. Это позволяет создать мощную водонепроницае-

мую породонесущую оболочку, обеспечивающую несущую способность

до 5·10

т/м

, что на один-два порядка превышает несущую способность

Рис. 4.40 Схема закрепления анкера в

шпуре с помощью химического состава:

1 – стержень; 2 – ампулы с химическим

закрепителем; 3 – уплотнительное кольцо;

4 – опорная плита; 5 – натяжная гайка

традиционных крепей. Крепь

«Монолит» хорошо приспо-

соблена к асимметричному

загружению, поскольку за счет

значительной ее толщины (1-2

м) линия давления не выходит

из ядра сечения конструкции.

Породонесущие крепи имеют

большую перспективу для со-

оружения капитальных выра-

боток в сложных горно-геоло-

гических условиях больших

глубин разработки.

В настоящее время совер-

шенствование шахтных кре-

пей базируется на принципах

оптимального проектирова-

ния конструкций. Оптимальным является такое распределение усилий

и материала, когда все участки крепи работают с одинаковым запасом

прочности (или равноудалены от предельного состояния), что обеспе-

чивает наименьшую массу или стоимость конструкции.

Любопытно, что термин «оптимум» был вве-

ден создателем дифференциального исчисления

Г. Лейбницем в XVIII в. и означал «наилучшее

из рациональных допустимых решений» [43].

Примечательно, что латинское слово «optimus»

(«наилучший») ведет свое происхождение от

имени богини Опы, матери Юпитера, которая

изображалась с рогом изобилия (мифическим

источником благ) и весами, символизирующи-

ми измерение и решение (рис. 4.42). Таким об-

разом, еще в древнем мире отметили связь меж-

ду «наилучшими решениями» и благами, ис-

ходящими от них.

Степень достижения оптимальности в конструкциях крепей можно

определить с помощью критерия оптимальности [37]:

[]

,1dSK

≤

∫

где

[

]

– соответственно действующие и допустимые (предель-

ные) напряжения в i-м сечении; S – периметр крепи. Чем ближе значение

Рис. 4.41 Породонесущая крепь «Монолит»

Рис. 4.42 Богиня Опа

к своему пределу (к единице), тем оптимальнее конструкция. Дан-

ный критерий позволяет сравнивать различные крепи, давая численную

оценку эффективности использования в ней материала. По критерию

оптимальности наиболее выгодной является анкерная крепь, в которой

приближается к единице, тогда как в большинстве других конст-

рукций

составляет 0,2-0,5.

Сложность проектирования шахтных крепей обусловлена тем, что

из-за изменчивости свойств горного массива величина и распределение

действующих нагрузок не могут быть точно определены и носят веро-

ятностный характер. В условиях неопределенности снижение затрат на

крепление выработок может быть достигнуто путем применения двух-

стадийного проектирования, представляющего концепцию последова-

тельного использования проектных и новых сведений, полученных уже

при сооружении выработки. Это позволяет корректировать тип и вели-

чину несущей способности крепи в соответствии с фактическими прояв-

лениями горного давления. В истории горной техники этот способ изве-

стен под названием «Новоавстрийского метода строительства тонне-

лей» (основоположники – профессора Л. Рабцевич и Л. Мюллер, г. Заль-

цбург). Таким образом, достижение наиболее эффективных проектных

решений требует перехода от типового проектирования к индивидуаль-

ному для каждой конкретной выработки с учетом мониторинга прояв-

лений горного давления и состояния крепи.

Характеризуя горнопроходческие работы в целом следует отметить,

что они составляют наибольшую долю в себестоимости полезного ис-

копаемого (50-60%), которая в 1,5-2 раза превышает расходы на очист-

ные работы и в 5-6 раз на вспомогательные (транспорт, водоотлив, вен-

тиляция и др.). Из этого следует важный вывод о приоритетном значе-

нии проблем горнопроходческих работ для функционирования горной

промышленности, так как здесь сосредоточены основные резервы по

снижению материальных затрат и повышению конкурентоспособности

горных предприятий.

«Первоначальная формулировка задачи

подобна глыбе угля: можно сколь угодно дол-

го пытаться зажечь ее, но огня не будет.

Логика дробит эту глыбу, чем мельче уголь,

тем легче зажечь его, на какой-то стадии воз-

можно самовозгорание»

В.В. Пак

4.3 Развитие техники очистных работ

чистные работы представляют собой

комплекс процессов и операций, вклю-

чающий отделение полезного ископаемого от

массива, навалку его на транспортирующее

устройство и доставку к транспортной выра-

ботке, а также крепление очистной выработки

(лавы

) и управление горным давлением.

В начале ХХ в. операции по выемке полез-

ных ископаемых выполнялись в основном мус-

кульной силой горнорабочих при помощи руч-

ных орудий – обушка, кайла, лопаты. Там, где

были крепкие породы, производилось предва-

рительное бурение шпуров ручным перфора-

тором типа «Рачетта и Элиотта» с последую-

щим проведением взрывных работ. Произво-

дительность труда забойщика составляла 0,3-

0,5 т за 12-часовую рабочую смену.

Важнейшим звеном механизации угледобы-

чи стала зарубка угля врубовыми машинами,

создающими в массиве полезного ископаемо-

го щель (вруб) для облегчения последующей

выемки с помощью взрывчатых веществ или

вручную. Врубовые машины впервые нача-

ли применяться в Великобритании с середи-

ны 50-х гг. XIX в. Дисковые, штанговые и

ударные врубовые машины в первой четверти

лава – русское название длинной очистной выработ-

ки, впервые появившееся в начале XIX в. на антрацито-

вых шахтах, принадлежавших войску Донскому. По од-

ной версии происходит от казачьей лавы – длинной рас-

тянутой шеренги конников, идущих в атаку; по другой –

от слова «лавка», т.к. забойщикам приходилось работать

в выработке сидя.

ХХ в. были вытеснены машинами с цепными барами, оснащенными рез-

цами (рис. 4.43), которые позволяли обеспечить необходимые геомет-

рические размеры врубов.

Первые попытки выпустить отечественные врубовые машины отно-

сятся к 1921 г., когда на Краматорском заводе приступили к проектиро-

ванию первой советской врубовки [44]. В дальнейшем на Горловском

заводе горного машиностроения был построен специальный цех врубо-

вых машин, который в 1927 г. освоил промышленный выпуск машин

типа ДТ (Донецкая тяжелая). Однако, эта машина имела ряд существен-

ных недостатков и уступала зарубежным аналогам, которых до 1931 г.

применялось в угольной промышленности почти в 3 раза больше, чем

отечественных [33]. В 1931 г. на Горловском заводе разрабатывается

врубовая машина типа ДТК (Донецкая тяжелая канатная), которая име-

ла следующие характеристики: длина 3150 мм, ширина 786 мм, высота

305 мм; длина бара 1,65 м; вес 2 т; мощность двигателя 30 л.с.; подача –

канатная; диаметр каната 12 мм; рабочая скорость подачи 0,53 м/мин;

скорость резания 1,85 м/с. Машина ДТК хорошо зарекомендовала себя

в условиях зарубки некрепких углей и на про-

тяжении многих лет была базовой моделью

врубовой техники. Дальнейшее ее совершен-

ствование шло по пути повышения мощности

двигателей, увеличения длины бара и скорос-

ти резания, регулирования скорости подачи, ус-

тройства дистанционного управления и др.

Представляет интерес разработанный в 1935 г.

инженером А.К. Сердюком изогнутый вверх

бар (рис. 4.44), при помощи которого не толь-

ко производился нижний вруб, и но и отрезал-

ся уголь от целика, что по сути обеспечивало

функции угольного комбайна. Особенно эф-

фективным было применение изогнутого бара

на пластах крутого падения, так как это дава-

ло возможность устранить последующую от-

Рис. 4.43 Врубовая машина с цепным баром

Рис. 4.44 Изогнутый бар

конструкции А.К. Сердюка

бойку угля. Прогрессивным решением явилось создание врубово-нава-

лочных машин, в которых конструкция режущих баров допускала за-

мену некоторых резцов погрузочными лопастями. Такая комбиниро-

ванная машина позволяла после зарубки пласта баром и взрывной от-

бойки угля грузить уголь на конвейер там же баром при движении ма-

шины в обратном направлении. Примечательно, что в бывш. СССР в

1928 г. на шахтах работало 549 врубовых машин, в 1950 – 4815 (макси-

мальное число), в 1976 г. всего 163. Резкое сокращение числа врубовых

машин в 60-70-е годы было обусловлено переходом на комбайновую

технологию ведения очистных работ.

Наряду с врубовыми машинами решающую роль в механизации вы-

емки угля в первой половине ХХ в. играли отбойные молотки. Они пред-

ставляли собой ручную машину ударного действия для отделения от

массива некрепких горных пород (углей). Принципиальная схема пнев-

матического отбойно-

го молотка приведена

на рис. 4.45. Боек, со-

вершающий поступа-

тельно-возвратное

движение с частотой

1000-1500 ударов в

минуту, наносит уда-

ры по хвостовой час-

ти исполнительного органа (пики). Рабочий инструмент удерживается

в корпусе при помощи буферной пружины. Сжатый воздух подается под

давлением 0,4-0,6 МПа. Первые отбойные молотки появились в Донбас-

се в 1914 г. на руднике Русско-Бельгийского общества (впоследствии шахта

«Юный коммунар», ПО «Орджоникидзеуголь»). С 1929 г. отбойные мо-

лотки начали изготавливать в бывш. СССР. Так, Ленинградским заво-

дом «Пневматика» был разработан молоток ОМ-5, который неплохо за-

рекомендовал себя на практике (к недостаткам конструкции следует все

же отнести несовершенную систему смазки). Интересным направлением

было создание электроотбойных молотков, поскольку коэффициент по-

лезного действия электрического молотка в несколько раз больше, чем

пневматического (конструкции Шмаргунова, Бертнера и др.).

В 1935 г. забойщик шахты «Центральная – Ирмино» (Донбасс)

А.Г. Стаханов за одну рабочую смену нарубил отбойным молотком ОМ-5

102 т угля при норме 7 т. Этот рекорд был достигнут благодаря личному

мастерству и новой организации труда, заключавшейся в разделении

операций забойщика и крепильщика. Рекорд продержался только три

дня, однако позже Стаханов устанавливает новый рекордный резуль-

тат – 227 т. Наибольшей выработки достиг забойщик шахты «Кочегар-

Рис. 4.45 Пневматический отбойный молоток

ка» (Донбасс) Н.А. Изотов, добыв за смену отбойным молотком 640 т

угля. Можно по-разному относиться к организации и результатам ста-

хановского и изотовского движений (соревнований за достижение наи-

высшей производительности труда), однако нельзя не отметить глубо-

кого народного уважения к шахтерам, чей высокий профессионализм и

самоотверженный труд снискали восхищение у горняков всего мира.

Подтверждение тому – город Стаханов (Украина), единственный город,

названный в честь рабочего, в честь шахтера.

Рекорды, поставленные в молотковых лавах, содействовали утверж-

дению направления т.н. легкой механизации очистных работ, ориенти-

рованной на применение отбойного молотка и легкой врубовой маши-

ны. Такая технология не требовала изменения систем разработки (уд-

линение лав), особой квалификации рабочих, высокой трудовой дис-

циплины и была широко распространена в Германии, Великобритании

и др. угледобывающих странах.

Тем не менее уже в 30-х гг. в бывш. СССР угольное машиностроение

ориентируется на тяжелую механизацию с применением тяжелых врубо-

вых и первых комбинированных машин (только для пластов крутого паде-

ния предпочтение по прежнему отдавалось отбойным молоткам).

Решающее значение для механизации очистных работ имела разра-

ботка комбинированных горных машин (комбайнов) для отделения

полезного ископаемого от массива с одновременной погрузкой (навал-

кой) его на забойный конвейер.

Первая комбинированная машина для добычи полезных ископаемых

была предложена американским инженером Э. О’Тулом в 1896 г. [44].

Основной частью машины является длинный бар, производивший гори-

зонтальный вруб у почвы; подача машины осуществлялось при помощи

домкратов, приводимых в движение двигателем. Уголь, отбитый вруч-

ную кайлами с удлиненной рукояткой, падал на бар и смонтированным

на нем конвейером доставлялся в штрек. Использование баров врубовых

машин в качестве резцовых ис-

полнительных органов положило

начало созданию будущих угле-

добывающих комбайнов с плос-

кими барами.

Весьма прогрессивное на-

правление конструирования ком-

байновой техники было заложе-

но в том же 1896 г. петербургским

титулярным советником А. Кале-

ри, запатентовавшим оригиналь-

ную «Машину для добывания

горных пород» (рис. 4.46). Она

Рис.4.46 Машина для добывания горных

пород, разработанная А. Калери

состояла из двигателя 1, остова 2 и 3, бара 4, снабженного режуще-от-

бойной головкой 5 и противовесом 6, конвейеров 7 и 8. Отделение по-

лезного ископаемого (уголь, каменная соль и т.п.) должно было осуще-

ствляться вырезанием небольших блоков с открытой поверхности за-

боя при помощи дисков режуще-отбойной головки, установленных под

прямым углом друг к другу. Диски, кроме вращательного, получали еще

и поступательное движение вверх путем поворота всего бара. Разрушен-

ное ископаемое по лотку 9 попадало на конвейеры 7 и 8 и далее на дос-

тавочные средства. Машина впервые предполагала полную механиза-

цию работ. Несмотря на недостатки (нерешенность вопросов механи-

ческой подачи машины на забой, громоздкость, ненадежность системы

передач и др.), предложение А. Калери представляло значительный ин-

терес и в дальнейшем послужило прототипом комбайнов с качающими-

ся шнеками.

В 1907 г. русский изобретатель Ф.А. Поляков-Ковтунов получает

привилегию (патент) на «Землестрогальную машину». Исполнительный

орган машины – строгающий нож не только отделял полоску породы,

но и разрушал ее (говоря словами изобретателя, «снимал стружку со-

размерной толщины»), облегчая при этом навалку извлеченной породы

угля. Возможность выемки различных по крепости пород обеспечива-

лась регулированием толщины снимаемого слоя. Здесь же приводились

конструкции строгающих ножей различных типов. Принцип строгания,

изложенный в патенте Ф.А. Полякова-Ковтунова, лег в основу нового

направления очистной техники – стругов статического действия.

Следует отметить, что ни одна из комбинированных машин начала

ХХ в. не была доведена до работоспособного промышленного образца.

Стремление максимально механизировать трудоемкие процессы угле-

добычи выдвинуло в число приоритетных задачу создания угольного ком-

байна для зарубки, отбойки и навалки угля на конвейер в условиях поло-

гих и наклонных пластов. В бывш. СССР в 1930-1932 гг. разрабатывались

два основных направления конструирования угольных комбайнов [44]:

первое заключалось в использовании двигателя и органов подачи врубо-

вой машины, производство которой уже было освоено угольной промыш-

ленностью; второе направление обосновывало необходимость создания ма-

шины, полностью оригинальной во всех своих частях.

Большой вклад в создание комбайновой техники внес Всесоюзный

конкурс 1932 г. – т.н. «Социалистический заказ на изобретение горного

комбайна». Для его проведения было организовано специальное кон-

сультационное бюро под руководством проф. А.М. Терпигорева, кото-

рое оказывало изобретателям помощь в решении отдельных техничес-

ких вопросов. Открытость, демократичность, всестороннее информи-

рование общественности о ходе и результатах конкурса вызвали боль-

Рис. 4.47 Первые угольные комбайны: а – конструкции А.И.

Бахмутского; б – конструкции В.Г. Яцких и Г.И. Роменского

шой интерес в среде горных специалистов, содействовали созданию ат-

мосферы своеобразного «мозгового штурма» сложнейшей задачи. Кон-

курс обобщил накопившийся к тому времени опыт отечественного ком-

байностроения и выявил наиболее перспективные (из 34-х) проекты.

Первую премию (вне конкурса) получил главный механик Первомайс-

кого рудоуправления (Донбасс) А.И. Бахмутский за изготовленный в 1931

г. опытный образец комбайна Б-1 (рис. 4.47, а), вторая премия была при-

суждена комбайну конструкторского бюро А.К. Сердюка, третьей пре-

мией был отмечен проект В.Г. Яцких и Г.И. Роменского (рис. 4.47, б). По

результатам конкурса И.Я. Белецкий написал книгу «Угольные комбай-

ны» (1933 г.), которая была первой в мировой технической литературе

работой, посвященной анализу угольных комбайнов.

В 1933 г. на Горловском машиностроительном заводе был изготов-

лен модернизированный вариант комбайна А.И. Бахмутского (рис. 4.48),

рабочий орган которого включал нижнюю 1 и верхнюю 2 штанги, осна-

щенные резцами, вертикальный бар 3, малый наклонный 4 и большой 5

100

конвейеры. Производительность комбайна составляла 25 т/час, глубина

захвата – 1,2 м, рабочая скорость подачи – 0,2 м/мин, маневровая –

0,4 м/мин, тяговое усилие – 10 т, мощность двигателя – 31 кВт, вес – 4,5 т,

размеры – 3320х3000х(700÷1200). Испытания в шахтных условиях Дон-

басса показали надежную и производительную работу машины, отно-

сительно малое образование пыли, отсутствие искрообразования и не-

большой выход штыба. Для повышения производительности труда А.И.

Бахмутский предложил осуществить цикличную организацию работ в

комбайновой лаве [44].

В 1932 г. на шахте «Брянка» (Донбасс) прошел испытания комбайн

конструкции инженеров треста «Кадиевуголь» В.Г. Яцких и Г.И. Ро-

менского (рис. 4.47, б). Основные особенности комбайна: оригинальное

конструктивное оформление замкнутого контура вруба (два плоских

цепных бара с вертикальной штангой между ними), а также применение

для отбойки угля усиленного резания в сочетании с использованием

естественной способности угля к саморазваливанию (наличие достаточ-

ного «изламывающего плеча» для вырезанного блока угля). Испыта-

ния показали благоприятные результаты – за час комбайн добывал око-

ло 15 т угля и позволил почти вдвое увеличить производительность труда

рабочего по угольному забою. В ходе испытаний первых комбайнов

были выявлены также их определенные недостатки: ненадежность ре-

жущих органов в виде штанг, сильное измельчение угля, возможность

работы только в слабых (мягких) углях.

Оригинальное направление в развитии комбайностроения было

представлено в работах конструкторского бюро А.К. Сердюка (ВУГИ,

г. Харьков). В бюро был разработан проект комбайна С-5 (вторая пре-

мия конкурса 1932 г.), предназначенный для добычи крепких углей и ан-

трацитов. В комбайне С-5 (рис. 4.49) дан ряд новых технических реше-

Рис. 4.48 Комбайн Б-2